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FENG WeiJia, LIU Ying, MA Ming, PENG DeLi* & NIE JinHui*. Conductive edge-warping graphite mesas for robust structural superlubricity. Science China Technological Sciences, 2024, 67(7): 2040–2049, https://doi.org/10.1007/s11431-024-2707-4
内容介绍
结构超滑是指两个固体表面相对滑动时产生的超低摩擦和零磨损状态。结构超滑状态已被证明可以在石墨片和各种非范德瓦尔斯材料之间实现，例如类金刚石碳（DLC）、硅（Si）、二氧化硅（SiO2）、氧化铝（Al2O3）、氮化硅（Si3N4）等。石墨片的良好导电性也为其打开了在很多电子器件中应用的可能性。最近的研究发现，由于微纳加工造成的石墨片边缘的无定形碳是结构超滑系统中摩擦的主要来源，先前工作通过在摩擦对副制备纳米结构阵列、或设计边长小于石墨片边长的摩擦对副，来实现无石墨边缘接触的结构超滑体系；然而这些方法无法实现既超滑又导电的体系。
针对以上问题，Science China Technological Sciences发表了清华大学马明教授团队的题为“Conductive edge-warping graphite mesas for robust structural superlubricity”的研究论文。本研究利用特定金属薄膜的拉应力，制备了金属片盖的边缘翘起导电石墨片，并在原子级光滑的镀金硅片和硅片上实现了摩擦力低至50 nN、摩擦系数稳定在万分之一量级、长距离载流滑移无磨损的结构超滑体系。通过纳米探针台与微动位移台，测得微米级导电翘起石墨片与镀金硅片间的滑动接触电阻低至32 Ω。同时比较了不同尺寸的边缘翘起石墨片（边长8~12 μm的方形石墨片、直径8~12 μm的圆形石墨片）在原子级光滑硅片上的摩擦力，发现石墨片摩擦力稳定在50~150 nN之间，这印证了消除石墨片边缘的无定形碳后，石墨片的摩擦力大幅下降。
图1 (a) 导电边缘翘起石墨片10000循环下摩擦力稳定在52~54 nN；(b) 导电边缘翘起石墨片在原子级光滑镀金基底上实现的万分之一量级摩擦系数
图2 导电边缘翘起石墨片与镀金硅片的滑动接触电阻测试。(a) 实验装置示意图；(b) 80个循环的滑移过程中滑动接触电阻随纳米探针台施加在石墨片上的载荷的变化；(c) 静止状态下石墨片与镀金基底的接触电阻随载荷的变化
基于本研究的摩擦力基底、无磨损的导电结构超滑体系，结合大批量自动化转移石墨片的技术以及大阵列石墨片的组装技术，有望实现宏观尺度的导电结构超滑体系，从而赋能微电机、MEMS射频开关、微发电机等应用。
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